燒堿裝置氯氣、氫氣處理工序初步設計[共47頁]

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1、第一篇 氯氣處理 河 南 化 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文) 說 明 書 題 目 200 kt/a燒堿裝置氯氣、氫氣處理工序的初步設計 作 者 系 別 化學工程系 專 業(yè) 應用化工082班 指 導 教 師 接 受 任 務 日 期 2010年9月24日 完 成 任 務 日 期 2010年 論 文 評 閱 教 師

2、 論 文 答 辯 教 師 畢業(yè)設計（論文）任務書 學生姓名 專 業(yè) 應用化工 班 級 9082 班 指導教師 （簽名） 題 目 200 kt/a燒堿裝置氯氣、氫氣處理工序的初步設計 原始數(shù)據(jù) 200 kt/a燒堿裝置Cl2、H2處理，年工作日330天，其余數(shù)據(jù)以工廠實際收集數(shù)據(jù)為準。 說明書內容： 1． 進行工序工藝流程設計，繪制帶控制點的工藝流程圖；

3、 2． 進行工序物料、熱量衡算，并編制物、熱平衡數(shù)據(jù)表； 3． 進行工序設備設計或選型，編制設備一覽表； 4． 繪制主要設備的設備圖； 5． 編制工序初步設計說明書。 圖紙要求 學生綜合訓練方面的要求： 完成期限：2010年9月24日至2010年11月2日 教研室主任： （簽名） 年 月 日 目 錄 第一篇 氯氣處理 1 第一章 總論

4、 1 一 概述 1 二 氯氣處理的任務和方法 1 三 工藝流程簡介 2 第二章 氯氣工藝計算 4 一 氯氣處理工藝流程 4 二 計算

5、依據(jù) 4 三 工藝計算 5 （一） 第一鈦冷卻器 5 （二） 第二鈦冷卻器 8 （三） 硫酸干燥塔Ⅰ（填料塔） 10 （四） 硫酸干燥塔Ⅱ（泡罩塔

6、） 11 第三章 主要設備設計及選型 13 一 第一鈦冷卻器 13 二 第二鈦冷卻器 20 三 硫酸干燥塔Ⅰ（填料塔） 25 四 硫酸干燥塔Ⅱ（泡罩塔）

7、 27 五 除沫器 28 第二篇 氫氣處理 29 第一章 總論 29 一 概述 29 二 氫氣處理工藝流程確定

8、 30 第二章 工藝計算 31 一 氫氣處理工藝流程 31 二 計算依據(jù) 31 三 工藝計算 32 （一）一段洗滌冷卻塔

9、 32 （二）二段洗滌冷卻塔 34 第三章 主要設備設計及選型 36 一 一段洗滌塔 36 二 二段洗滌塔 37 三 主要管徑 38

10、 四 氫氣輸送設備 39 五 水輸送泵 39 六 液封循環(huán)水池 39 七 氫氣緩沖罐 39 主要設備一覽表 40

11、 設計評述 41 參考文獻 42 第一篇 氯氣處理 第一章 總論 一. 概述 1. 氯氣 氯氣Cl2，分子量70.906，常溫下，氯是黃綠色，具有使人窒息氣味的氣體，有毒。氯氣對人的呼吸器官有強烈的刺激性，吸入過多時還會致死。氯氣比空氣重，約為空氣的2.5倍。氯氣能溶于水，但溶解度不大，溫度越高氯氣在水中的溶解度越小。氯氣溶于水同時與水反應生成鹽酸和次氯酸，因此氯水具有極

12、強的腐蝕性。氯氣在四氯化碳，氯仿等溶劑中溶解度較大，比在水中的溶解度約大20倍。工業(yè)上利用氯氣在四氯化碳中有較大溶解度這一特點，用四氯化碳吸收氯堿廠產生的所有廢氯，然后再解吸回收氯氣。 氯氣的用途極為廣泛，重要用途如：殺菌消毒、漂白及制漿、冶煉金屬、制造無機氯化物、制造有機氯化物及有機物。 2. 氯堿工業(yè)在國民經濟中的地位 食鹽電解聯(lián)產的燒堿、氯氣、氫氣，在國民經濟的所有部門均很需要，除應用于化學工業(yè)本身外，有輕工、紡織、石油化工、有色金屬冶煉和公用事業(yè)等方面均有很大用途，作為基本化工原料的“三酸二堿”中，鹽酸燒堿就占了其中兩種，而且氯氣和氫氣還可進一步加工成許多化工產品。所以氯堿工業(yè)及

13、相關產品幾乎涉及到國民經濟及人民生活的各個領域。 3. 氯堿工業(yè)的特點 氯堿工業(yè)的特點除原料易得、生出流程短外，主要還有三個突出問題:能量消耗大；氯與堿的平衡；腐蝕和污染。 二. 氯氣處理的任務和方法 從電解槽出來的濕氯氣，一般溫度較高，并伴有大量水蒸汽及鹽霧等雜質。這種濕氯氣，對鋼鐵及大多數(shù)金屬有強烈的腐蝕作用，只有某些金屬材料或非金屬材料在一定條件下，才能耐濕氯氣的腐蝕。例如金屬鈦，聚氯乙烯、酚醛樹脂、陶瓷、玻璃、橡膠、聚酯、玻璃鋼等因而使得生產及運輸極不方便。但干燥的氯氣對鋼鐵等常用材料的腐蝕在通常情況下時較小的，所以濕氯氣的干燥時生產和使用氯氣過程中所必須的。 氯氣干燥前

14、通常先使氯氣冷卻，使?jié)衤葰庵械拇蟛糠炙羝焕淠?，然后用干燥劑進一步出去水分。干燥后的氯氣經過壓縮，再送至用戶。 在不同的溫度與壓力下氣體中的含水量可以用水蒸汽分壓來表示。在同一壓力下，溫度愈高，含水量愈大。其水蒸汽分壓也就愈高。 為了使氯氣能用鋼鐵材料制成的設備及管道進行輸送或處理，要求氯氣的含水量小于0.05%（如果用透平壓縮機輸送氯氣，則要求含水量小于100ppm）。因此必須將氯氣中的水分進一步除去。在工業(yè)上，均采用濃硫酸來干燥氯氣，因為濃硫酸具有：（1）不與氯氣發(fā)生化學反應；（2）氯氣在硫酸中的溶解度??；（3）濃硫酸有強烈的吸水性；（4）價廉易得；（5）濃硫酸對鋼鐵設備不腐蝕；

15、（6）濃硫酸可以回收利用等特點，故濃硫酸時一種較為理想的氯氣干燥劑。 當溫度一定時，硫酸濃度愈高、其水蒸汽分壓愈低；當硫酸濃度一定時，溫度降低，則水蒸汽分壓也降低。也就是說硫酸的濃度愈高、溫度愈低，硫酸的干燥能力也就愈大，即氯氣干燥后的水分愈少。但如果硫酸的溫度太低的話，則硫酸與水能形成結晶水合物而析出。因此原料硫酸與用后的稀硫酸在儲運過程中，尤其在冬季必須注意控制溫度和濃度，以防止管道堵塞。硫酸濃度在84%時，它的結晶溫度為+8℃，所以在操作中一般將H2SO4溫度控制在不低于10℃。此外，硫酸與濕氯氣的接觸面積和接觸時間也是影響干燥效果的重要因素。故用硫酸干燥濕氯氣時，應掌握以下幾點：（1

16、）硫酸的濃度，（2）硫酸溫度，（3）硫酸與氯氣的接觸面積和接觸時間。 生產中使用的氯氣還需要有一定的壓力以克服輸送系統(tǒng)的阻力，并滿足用戶對氯氣壓力的要求。因此在氯氣干燥后還需用氣體壓縮機對氯氣進行壓縮。 綜上所述，氯氣處理系統(tǒng)的主要任務是： 1． 氯氣干燥； 2. 將干燥后的氯氣壓縮輸送給用戶； 3. 穩(wěn)定和調節(jié)電解槽陽極室內的壓力，保證電解工序的勞動條件和干燥后的氯氣純度。 三．工藝流程簡介 1 氯處理工藝 根據(jù)氯處理的任務氯處理的工藝流程包括氯氣的冷卻、干燥脫水、凈化和壓縮、輸送幾個部分。 ⑴ 氯氣的冷卻 氯氣的冷卻因方式的不同，可分為直接冷卻、間

17、接冷卻和氯水循環(huán)冷卻三種流程。 直接冷卻流程：工藝設備投資少，操作簡單，冷卻效率高，但是，此流程排出的污水含有氯氣，腐蝕管路，污染環(huán)境，同時使氯損失增大，且耗費大量蒸汽。 間接冷卻流程：操作簡單，易于控制，操作費用低，氯水量小，氯損失少，并能節(jié)約脫氯用蒸汽。冷卻后氯氣的含水量可低于0.5％。 氯水循環(huán)冷卻流程：冷卻效率高，操作費用低于直接冷卻法，高于間接冷卻法，投資比前者告而低于后者。缺點是熱交換器所用冷卻水溫度要求低于15℃，因此需要消耗冷凍量并需增設氯水泵、氯水循環(huán)槽使流程復雜化。 ⑵ 氯氣的干燥 氯氣干燥時均以濃硫酸為干燥劑，分為填料塔串聯(lián)硫酸循環(huán)流程和泡沫塔干燥流程。 填料

18、塔串聯(lián)硫酸循環(huán)流程：該流程對氯氣負荷波動的適應性好，且干燥氯氣的質量穩(wěn)定，硫酸單耗低，系統(tǒng)阻力小,動力消耗省。但設備大，管道復雜，投資及操作費用較高。 泡沫塔干燥流程：此流程設備體積小，臺數(shù)少，流程簡單，投資及操作費用低。其缺點時壓力降較大，適應氯氣負荷波動范圍小，塔板易結垢，同時由于塔酸未能循環(huán)冷卻，塔溫高，因此出塔氯氣含水量高，出塔酸濃度高故酸耗較大。 ⑶ 氯氣的凈化 氯氣離開冷卻塔，干燥塔或壓縮機時，往往夾帶有液相及固相雜質。管式、絲網式填充過濾器是借助具有多細孔通道的物質作為過濾介質，能有效地去除水霧或酸霧，凈化率可達94％－99％，而且壓力降較小，可用于高質量的氯氣處理。 2

19、 工藝流程的確定 氯處理工藝流程 根據(jù)以上各流程的優(yōu)缺點最后確定氯氣處理工藝流程如下：兩段列管間接冷卻，硫酸干燥塔（填料塔），硫酸干燥塔（泡罩塔）串聯(lián)干燥流程。此工藝效果好，氯氣輸送壓力大，設備少，系統(tǒng)阻力小，操作穩(wěn)定，經濟性能優(yōu)越。 第二章 氯氣工藝計算 一.氯氣處理工藝流程 氯氣處理工藝流程見下，據(jù)此進行物料衡算和熱量衡算。 圖2-1 氯氣處理工藝流程圖 濕氯氣由電解到氯處理室外管道，溫度由85℃降至80℃后進入

20、氯處理系統(tǒng)，有部分水蒸氣冷凝下來，并溶解氯氣。進入第一鈦冷卻器冷卻至46℃，再經過二鈦冷卻器冷卻至18℃。然后進入一段硫酸干燥塔，用80％硫酸干燥脫水，出塔硫酸濃度降到60％，出塔氣體最后進入二段硫酸干燥塔，用98％硫酸干燥脫水，出塔硫酸濃度降到75%,此時出塔的氣體含水量以完全滿足輸送要求，經除沫器進入透平式氯壓機，經壓縮后送至用戶。 二 .計算依據(jù) 1． 生產規(guī)模：200kt/a100%NaOH； 2．年生產時間（按年工作日330天計算）：33024=7920小時； 3．計算基準：以生產1t100%NaOH為基準； 4．來自電解工序濕氯氣的工藝數(shù)據(jù)見下表：

21、 47 第一篇 氯氣處理 表2-1 來自電解工序濕氯氣的溫度、壓力和組成 項目 氯氣 備注 項目 氯氣 備注 溫度，℃ 85 —— 氯氣，kg/t100%NaOH 885 12.50kmol 總壓（表），Pa -10 —— 不凝性氣體（假設為空氣，下同）kg/t100%NaOH 15 0.52kmol 水蒸汽，kg/t100%NaOH 310 —— 成分，%（干基）（v/v） 96 —— 氣體總量，kg/t100%NaOH 1187 —— 三. 工藝計算 （一）第一鈦冷卻器 1．計算依據(jù) ⑴

22、假設濕氯氣經電解到氯處理室，溫度由90℃降至80℃，進入氯處理系統(tǒng)。 ⑵電解氯氣經一段洗滌塔冷卻，溫度從80℃降至46℃。 ⑶由資料查知相關熱力學數(shù)據(jù)： 氯氣在水中溶解度：80℃: 0.002227 kg/kgH2O 56℃: 0.00355 kg/kgH2O 水蒸汽分壓： 80℃: 45.77kPa 46℃: 10.1104kPa 水的比熱： 50℃: 4.1868J/(g℃) 25℃: 4.1796 J/(g℃)

23、 表2-2 相關熱力學數(shù)據(jù) 物料與項目 單 位 溫 度 ℃ 80 46 氯氣比熱容 Kcal/(mol℃) 8.364 8.2902 水蒸氣熱焓 kcal/kg 631.4 617.42 不凝氣比熱 kcal/kg 0.2426 0.2426 2．物料衡算 ⑴設管路中冷凝下來的水量為W1kg，因氯氣在水中的溶解度很小，其溶液可視為理想溶液。由于系統(tǒng)總壓為－98.07pa，所以計算時可視為101.227kpa。由道爾頓分壓定律得：P水/P總=n水/n總 解得W1=117.097kg 故溶解的氯氣量：0.002

24、227117.097=0.26kg 氯水總重量：117.097+0.26=117.357kg 由上述計算得知，進入第一鈦冷卻器的氣體組分為： 氯氣 885－0.26=884.74kg 水蒸氣 310－117.097=192.903kg 不凝氣體 15kg ⑵氯氣在一段鈦冷卻器中溫度從80℃降至46℃ 設在第一鈦冷卻器中冷凝的水量為W2kg，其阻力降為359.81pa（35mmH2O），則出口氯氣的總壓為-409.81Pa P總=101.227－359.8110-3=100.933

25、 kpa 根據(jù)道爾頓定律有： 解得：W2=166.946kg 溶解氯氣的量為：166.9460.00355=0.593kg 氯水總重量為：166.946+0.593=167.539kg 因此出第一鈦冷卻器的氣體組分為： 氯氣 884.74－0.593=884.147kg 水蒸氣 192.903－166.946=25.957kg 不凝氣體 15kg ⑶物料衡算表 a.以生產1t100%NaOH為基準 表2-3 第一鈦冷卻器物料衡算表 名稱 進第一鈦冷卻器 kg

26、/t 100％NaOH 出第一鈦冷卻器 kg/t 100％NaOH 氯氣 884．74 884．147 水蒸氣 192．903 25．957 不凝氣體 15 15 氯水 —— 167．539 總計 1092．643 1092．643 b.總物料衡算 表2-4 第一鈦冷卻器總物料衡算表 名稱 進第一鈦冷卻器 kg/t 100％NaOH 出第一鈦冷卻器 kg/t 100％NaOH 氯氣 176948000 176829400 水蒸氣 38580600 5191400 不凝氣體 3000000 3000000 氯水 —

27、— 33507800 總計 218528600 218528600 3．熱量衡算 ⑴氣體帶入熱量 a.氯氣帶入熱量：Q1=884.74/718.364804.1868=34909kJ b.水蒸氣帶入熱量：Q2=192.903631.44.1868=509948kJ c.不凝氣體帶入熱量：Q3＝150.2444.186880＝1226kJ d.氯氣溶解熱：Q4＝0.593/7122090＝185kJ ΣQ=34909+509948+1226+185=546268kJ ⑵氣體帶出熱量 a.氯氣帶熱量：q1＝884.147/718.2902464.1868＝19883k

28、J b.水蒸氣帶熱量：q2＝25.957617.424.1868＝67099kJ c.不凝氣體帶出熱量：q3＝150.24264.186846＝701kJ d.氯水帶出熱量：q4＝167.5394.182856＝39244kJ Σq＝19883＋67099＋701+39244＝126927kJ ⑶冷卻水用量 冷卻水采用工業(yè)上水，設進口溫度t1＝20℃，出口溫度t2＝30℃。 定性溫度: T =（t2＋t1）/2 =（20＋30）/2 =25℃ Q =WCCPC(t2－t1) (2—1) 其中，Q——傳熱速率，W WC

29、——流體質量流量，kg/s CPC——流體比熱容，kJ/(kg?℃) t——溫度，℃。 則第一鈦冷卻器用水量為： WC1=Q/ CPC(t2－t1) = =10032 kg/t100％NaOH 冷卻水帶入熱量：100324.179620＝838595kJ 冷卻水帶出熱量：100324.179630＝1257892kJ ⑷第一鈦冷卻器熱量衡算表 表2-5 第一鈦冷卻器熱量衡算表 輸入 輸出 物料名稱 數(shù)量 kg 熱量 kJ 物料名稱 數(shù)量 ㎏ 熱量 kJ 氯氣 884.74 34909 氯氣 884.147 19883

30、水蒸氣 192.903 509948 水蒸氣 25.957 67099 不凝氣體 15 1226 不凝氣體 15 701 溶解熱 —— 185 氯水 167.539 39244 冷卻水 10032 838595 冷卻水 10032 1257892 總計 11224.643 1.385106 總計 11124.643 1.385106 （二）第二鈦冷卻器 1．計算依據(jù) ⑴電解氯氣經二段洗滌塔冷卻，溫度從46℃降至18℃。 ⑵氯水溫度為20℃。 ⑶出口氯氣總壓力為-1009.81pa（－100 mmH2O）。 ⑷由資料查得相關熱

31、力學數(shù)據(jù)如下： 氯氣在水中溶解度：20℃: 0.00729 kg/kgH2O 氯氣比熱容：18℃: 8.227 kcal/(mol℃) 水蒸氣分壓：18℃: 2.0776kPa 水蒸氣熱焓：18℃: 605.34kcal/kg 不凝氣體比熱：18℃: 0.2418kcal/(kg℃) 水的比熱： 6℃: 4.1999 J/（g?℃） 2．物料衡算 ⑴設在第二鈦冷卻器總冷凝水量為W3kg，其阻力降為609.81pa（60 mmH2O）， P總=100.933－609.8110-3=100.344 kpa 則由道爾頓定律有： 解得W3=19.608kg 溶

32、解氯氣量：19.6080.00729=0.143kg 氯水總量：19.608+0.143=19.751kg 因此出第二鈦冷卻器的氣體組分為： 氯氣 884.147－0.143=884.004kg 水蒸氣 25.957－19.608=6.349kg 不凝氣 15kg ⑵物料衡算表 a.以生產1t100%NaOH為基準 表2-6 第二鈦冷卻器物料衡算表 名稱 進第二鈦冷卻器kg/t100%NaOH 出第二鈦冷卻器kg/t100%NaOH 氯氣 884.147 884.0

33、04 水蒸汽 25.957 6.349 不凝氣 15 15 氯水 —— 19.751 總計 925.104 925.104 b.總物料衡算 表2-7 第二鈦冷卻器總物料衡算表 名稱 進第二鈦冷卻器 kg/t 100％NaOH 出第二鈦冷卻器 kg/t 100％NaOH 氯氣 176829400 176800800 水蒸氣 5191400 1269800 不凝氣體 3000000 3000000 氯水 —— 3950200 總計 185020800 185020800 3．熱量衡算 ⑴氣體帶入熱量

34、 若不考慮管道散熱，則物料帶入熱量等于物料出一段鈦冷卻器的熱量，即 a.氯氣帶入熱量：Q5=19883kJ b.水蒸氣帶入熱量：Q6=67099kJ c.不凝氣體帶入熱量：Q7＝617kJ d.氯氣溶解熱：Q8＝22.091030.143/71＝44kJ ΣQ=19883+67099+617+44＝87643kJ ⑵氣體帶出熱量 a.氯氣帶出熱量：q5＝884.004/718.227184.1868＝7720kJ b.水蒸氣帶出熱量：q6＝6.349605.344.1868＝16091kJ c.不凝氣體帶出熱量：q7＝150.24184.186818＝273kJ d.氯水

35、帶出熱量：q8＝19.7514.181920＝1652kJ Σq＝7720+16091+273+1652＝25736kJ ⑶冷凍水用量 冷凍水進口溫度為4℃，出口溫度為8℃，則二段冷卻器冷凍水用量為： WC2= Q/ CPC(t2－t1) = =3685㎏ 冷凍水帶入熱量：36854.19994＝61907kJ 冷凍水帶出熱量：36854.19998＝123813kJ ⑷第二鈦冷卻器熱量衡算表 表2-8 第二鈦冷卻器熱量衡算表 輸入 輸出 物料名稱 數(shù)量 kg 熱量 kJ 物料名稱 數(shù)量 ㎏ 熱量 kJ 氯氣 884.147 19883 氯氣

36、 884.004 7720 水蒸氣 25.957 67099 水蒸氣 6.349 16091 不凝氣體 15 617 不凝氣體 15 273 溶解熱 —— 44 氯水 19.751 1652 冷凍水 3685 61907 冷凍水 3685 123813 總計 4610.104 1.496105 總計 4610.104 1.496105 （三）硫酸干燥塔Ⅰ（填料塔） 1．計算依據(jù) ⑴入塔硫酸濃度80％，溫度為15℃，出塔硫酸濃度60％，溫度為30℃。 ⑵干燥后的氯氣含水量為100ppm。 2．物料衡算 ⑴計算中忽略氯氣

37、在硫酸中的溶解損失，設每千克80％的硫酸吸收的水分為W3kg，則W3＝80/60－1＝0.3333 設干燥所需80％硫酸量為W4㎏,則 ＝0.0001 解得W4＝18.794㎏ 假定各種因素造成硫酸的損耗為15％， 則需硫酸量為：18.7941.15＝21.613㎏ 填料塔流出的稀酸量為：18.7941.3333＋18.7940.15＝27.877㎏ 干燥后氯氣中含水量：6.349－0.333318.794＝0.085㎏ 出填料塔氣體組分為： 氯氣 884.004㎏ 水蒸氣 0.085㎏ 不凝氣體

38、 15㎏ ⑵物料衡算表 a.以生產1t100%NaOH為基準 表2-9 硫酸干燥塔（填料塔）物料衡算表 名稱 進填料塔 kg/t 100％NaOH 出填料塔 kg/t 100％NaOH 氯氣 884．004 884．004 水蒸氣 6．349 0．085 不凝氣體 15 15 硫酸 21．613 27．877 總計 926．966 926．966 b.總物料衡算 表2-10 硫酸干燥塔（填料塔）總物料衡算表 名稱 進填料塔 kg/t 100％NaOH 出填料塔 kg/t 100％NaOH

39、 氯氣 176800800 176800800 水蒸氣 1269800 17000 不凝氣體 3000000 3000000 硫酸 4322600 5575400 總計 185393200 185393200 （四）硫酸干燥塔Ⅱ（泡罩塔） 1.計算依據(jù) ⑴進塔硫酸濃度為98％，溫度為13℃；出塔硫酸濃度為75℃，溫度為28℃。 ⑵干燥后氯氣含水量1.010－5。 2．物料衡算 ⑴設每千克98％硫酸吸收的水分為W5㎏,則 W5＝0.98/0.75－1＝0.3067㎏ 設干燥所需98％流酸為W6㎏， ＝1.010－5 解得W6=0.25㎏

40、 假設各種因素造成的硫酸損耗為15％， 則需硫酸量為：0.251.15＝0.2875㎏ 泡罩塔流出稀酸的量為：0.251.3067＋0.250.15＝0.3642㎏ 干燥后氯氣含水量為：0.085－0.30670.25＝0.0083㎏ 出泡罩塔氣體組分為： 氯氣 884.004㎏ 水蒸氣 0.0083㎏ 不凝氣體 15㎏ ⑵氯氣純度:100%=96% (V/V) ⑶物料衡算表 a.以生產1t100%NaOH為基準 表2-11 硫酸干燥塔（泡罩塔）物料衡

41、算表 名稱 進泡罩塔 kg/t 100％NaOH 出泡罩塔 kg/t 100％NaOH 氯氣 884．004 884．004 水蒸氣 0．085 0．0083 不凝氣體 15 15 硫酸 0．2875 0．3642 總計 899．3765 899．3765 b.總物料衡算 表2-12 硫酸干燥塔（泡罩塔）總物料衡算表 名稱 進泡罩塔 kg/t 100％NaOH 出泡罩塔 kg/t 100％NaOH 氯氣 176800800 176800800 水蒸氣 17000 1660 不凝氣體 30

42、00000 3000000 硫酸 57500 72840 總計 179875300 179875300 第一篇 氯氣處理 第三章 主要設備設計及選型 一. 第一鈦冷卻器 1．確定設計方案 從電解槽出來的氯氣，一般溫度較高，并伴有大量水蒸氣及鹽霧等雜質。這種濕氯氣對鋼鐵及大多數(shù)金屬有強烈的腐蝕作用，只有某些金屬材料或非金屬材料在一定條件下，才能耐濕氯氣的腐蝕。所以決定選用鈦材料的列管作換熱管，冷卻水走殼程，濕氯氣走管程，并且

43、采用逆流流向。 氯氣進口溫度80℃，出口溫度46℃； 冷卻水進口溫度20℃，出口溫度30℃。 2．確定物性數(shù)據(jù) ⑴流體平均溫度Tm和tm Tm1＝（Ti＋To）/2＝（80＋46）/2＝63℃ tm1＝（ti＋to）/2＝（20＋30）/2＝25℃ ⑵平均溫度下的物性數(shù)據(jù) 表3-1 物性數(shù)據(jù) 物料 項目 單位 數(shù)據(jù) 物料 項目 單位 數(shù)據(jù) 水 密度 g/cm3 0.99708 氯 氣 密度 Kg/m3 57.84 粘度 pa?s 0.0008937 粘度

44、 p 1516.810-7 導熱系數(shù) W/(m?℃) 0.60825 導熱系數(shù) Kcal/(m?h?℃) 0.00819 比熱容 J/(g?℃) 4.1796 比熱容 Cal/(mol?℃) 8.324 水 蒸 氣 密度 Kg/m3 0.1506 不 凝 氣 體 密度 Kg/m3 1.016 粘度 Kgf?s/m2 1.07510-6 粘度 Kgf?s/m2 2.059 導熱系數(shù) Kcal/(m?h?℃) 0.01895 導熱系數(shù) W/(m?℃) 0.02917 比熱容 Kcal/(kg

45、?℃) 0.459 比熱容 Kcal/(kg?℃) 0.243 μ平＝1516.810－70.180.97％+1.07510－69.8117.66％+2.01910－69.811.37％＝14.4210－6pa?s ρ平＝57. 8480.97％+0.150617.66％+1.011.37％＝46.874㎏/m3 λ平＝0.81910－280.97％+1.89510－217.66％+2.42510－21.37％＝1.3310－2kcal/(m??h?℃)＝1.54710－2w/(m?℃) Cp平＝8.324/10007180.97％+0.45917.66％+0.2431.

46、37％＝0.563kcal/(kg?℃)=2.357J/(g?℃) 3．設計計算 ⑴計算依據(jù)：由《氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊》中查知，第一鈦冷卻器的總傳熱系數(shù)范圍在350—550 kcal/(m2??h?℃)，即407.05—639.65 w/(m2?℃) ⑵熱負荷Q Q =(546268-126927)200000/7920 =10589419kJ/h =2941.7kw ⑶假設k=500 w/(m2?℃) 則估算的傳熱面積為 A=Q/KΔtm (3-1) 其中，Q——換熱器熱負荷，W K——總傳熱系數(shù)

47、，W/(m2?℃) Δtm——對數(shù)平均溫差，℃. Δtm‘= ＝ ＝36.7℃ 則由式（3-1）有 A =2941.7103/(50036.7) =160.3㎡ 考慮10％的面積裕度，則所需傳熱面積為： A0 =1.1A =1.1160.3 177㎡ ⑷選用Φ19.052㎜，6m長的Ti－0.3Mo－0.8Ni鈦鋼管，則所需管數(shù) N= (3-2) 其中， A0——傳熱面積，㎡ d——換熱管外徑，m l——換熱管長度，m 。 N = =502根 參考碳鋼Φ1

48、9排管圖, 確定排管總數(shù)為518根，Dg 700mm，Ⅵ管程，管子采用三角形排管, 管心距 24㎜ ⑸折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25％，則切去圓缺高度為h＝0.25700＝175㎜，折流板間距取B=0.8DG＝0.8700=560㎜，折流板厚度16㎜ 折流板數(shù)Nb=－1 (3-3) =－1 10塊 ⑹拉桿 參考《鈦制化工設備設計》知，拉桿數(shù)量為6，拉桿直徑為10㎜ ⑺接管 a.殼程流體進出口接管 取接管內流體流速為u1＝2m/s，則接管內徑為： D1=

49、 (3-4) 其中，V——流體的體積流量，m3/s u——流體在接管中的流速，m/s。 D1＝ ＝0.212m b.管程流體進出口接管 取接管內流體流速為u2＝20 m/s則接管內徑為： D2 = = =0.102m 圓整后，取殼程流體進出口接管規(guī)格為：Ф2738㎜，管程流體進出口接管規(guī)格為Ф1336㎜。 4．第一鈦冷卻器的核算 （1）殼程流體傳熱膜系數(shù)αo 用克恩法計算 αo＝0.36（）Re0.55Pr1/3（）0.14 (3-5)

50、 其中，λ——導熱系數(shù)，W/(m2℃)， de——公稱直徑，m， Re——雷諾準數(shù)，無因次， Pr——普蘭特準數(shù)，無因次。 a.當量直徑： de＝ (3-6) ＝ ＝0.0143m 其中，t——管間距，m， do——換熱管外徑，m b.殼程流通截面積 So ＝BD(1-) (3-7) ＝0.560.7（1－0.01905/0.024） ＝0.08㎡ 其中，B——

51、折流板間距，m， D——殼體公稱直徑，m， c.殼程流體流速 uo＝Vs/So (3-8) ＝ ＝0.735m/s 其中，Vs——流體在殼體的體積流量，m3/h。 d.雷諾數(shù) Reo＝ (3-9) ＝ ＝11726 其中，uo——流體在殼程的流速，m/s， ρ——流體密度，kg/m3， μ——

52、流體粘度，pas。 e.普蘭特數(shù) Pr＝ (3-10) ＝ ＝6.14 其中，Cp——流體比熱，kJ/(kg℃)。 粘度校正（）1.05，則由式（3-5）得： αo＝0.360.60825/0.017117260.556.141/31.050.14 ＝4884 W/(m2℃) （2）管內傳熱膜系數(shù)αi αi＝0.023Re0.8Pr0.3 (3-11) a.管程流體流通截面積 Si＝ ＝0.7850.015052518/6 ＝0.01

53、5㎡ b.管程流體流速 ui=Vs/Si = ＝10.9m/s d.雷諾數(shù) Rei＝ ＝ ＝533249 e.普蘭特數(shù) Pr＝ ＝ ＝2.197 則由式（3-11），得： αi＝0.0230.01547/0.015055714720.82.200.3 ＝1207 W/(m2℃) （3）污垢熱阻和管壁熱阻 管外側污垢熱阻：Rso＝1.7197104 m2℃/W 管內側污垢熱阻：Rsi＝0.0002 m2℃/W Ti－0.3Mo－0.8Ni在該條件下的導熱系數(shù)為0.046cal/（scm2℃），即 λw＝0.0464.186810

54、2 ＝19.26 W/(m2℃) （4）總傳熱系數(shù) ＝+ Rso++ Rsi+ (3-12) ＝+0.00017197++0.0002+ ＝0.0019 K1=526.3 W/(m2?℃) （5）校核有效平均溫差 R1=＝＝3.4 P1=＝＝0.167 φΔt＝ (3-13) = =0.96 Δtm1＝φΔtΔtm1’ (3-14) =0.9636.7 =35.23℃

55、 其中，Δtm’——按逆流計算的對數(shù)平均溫度差，℃ φΔt——溫度差校正系數(shù)，無因次。 Δt= Tm1－tm1 ＝63－25 ＝38℃<50℃ 該溫差較小，不需設溫度補償裝置，因此選用固定管板式換熱器。 （6）傳熱面積裕度 Sn＝ ＝ ＝158.6㎡ 該換熱器的實際傳熱面積： So＝ =3.140.019056518 =185.9㎡ 該換熱器的面積裕度為： F= ＝100％ ＝17％ 該換熱器能夠完成任務。 （7）流體的流動阻力 a.管程壓強降： ∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNpNs

56、 (3-15) 其中，ΔP1，ΔP2——分別為直徑及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強降，pa Ft——結垢校正因數(shù)，無因次，取1.5， Np——管程數(shù)， Ns——串連的殼程數(shù)。 管程流通面積SI=0.08㎡，流速10.9m/s,雷諾準數(shù)533249（湍流）。 設管粗糙度 , 查關系圖得 =0.03 =0.03 =33393 Pa

57、 因為沒有彎管，即 則由式（3-15）得： Pa b.殼程壓強降： (3-16) 其中，ΔP1‘——流體橫過管束的壓降，pa ΔP2‘——流體流過折流板缺口的壓強降，pa Fs——殼程壓強降的結垢正因數(shù)，無因次，取1.15 Ns——串連殼程數(shù)。 (3-17) 其中，F(xiàn)——管子排列方式對壓強降的校正因數(shù) fo——殼程流體的摩擦系數(shù)，

58、當Re>500，f=5.0Re-0.228 Nc——橫過管束中心線的管子數(shù) NB——折流擋板數(shù) 管子為三角形排列，F(xiàn)=0.5，NB=10， Nc=1.1=1.1=25， So=0.08㎡,uo=0.735m/s，Re=11726>500， 所以 =0.59 ∴ 由式（3-17），得： =21849 Pa (3-18) =10（3.5－）

59、 =5117 Pa ∴ ∑ΔPo=（21849+5117）1.15 =31011 Pa 殼程和管程的壓力降幾乎都能滿足要求。 二. 第二鈦冷卻器 從第一鈦出來的氯氣需要進一步冷卻，進入第二鈦冷卻器。從車間布置、設備維修等多方面的考慮，第二鈦冷卻器與第一鈦冷卻器選取同種型號，進行核算即可。 1．第二鈦冷卻器核算 （1）熱負荷Q Q2=61907200000/（79203600） =434.25 KW （2）流體平均溫度及對數(shù)平均溫度差 Tm2

60、=（46+18）/2=32℃ tm2= （4+8）/2 =6℃ （3）平均溫度下的物性數(shù)據(jù)見下表 表3-2 物性數(shù)據(jù)表 物料 項目 單位 數(shù)據(jù) 物料 項目 單位 數(shù)據(jù) 冷 凍 水 密度 kg/m3 999.97 濕 氯 氣 密度 Kg/m3 28.922 粘度 cp 1.4728 粘度 Pa?s 1376.210-7 導熱系數(shù) W/(m?℃) 0.56522 導熱系數(shù) kcal/(m?h?℃) 0.007406 比熱容

61、J/(g?℃) 4.1999 比熱容 cal/(mol?℃) 8.2588 （4）殼程結熱系數(shù) de=0.017m，So=0.08㎡， uo＝Vs/So ＝ ＝0.32m/s Reo＝ ＝ ＝3694 Pr＝ ＝ ＝10.94 粘度校正（）0.141， 則由式（3-5）得： αo＝0.360.56522/0.01736940.5510.941/31 =2435 W/(m2℃) （5）管程結熱系數(shù)αi Si ＝ ＝0.7850.015052518/6 ＝0.015㎡ ui=Vs/Si ＝ ＝14.96m/s

62、 Rei＝ ＝ ＝473167 Pr＝ ＝ ＝3.923 則由式（3-11）得： αi＝0.0230.008613/0.015054731670.83.9230.3 ＝689 W/(m2℃) （6）污垢熱阻和管壁熱阻 管外側污垢熱阻：Rso＝1.7197104 m2℃/W 管內側污垢熱阻：Rsi＝0.0002 m2℃/W Ti－0.3Mo－0.8Ni在該條件下的導熱系數(shù)為0.046cal/（scm2℃），即 λw＝0.0464.1868102＝19.26 W/(m2℃) （7）總傳熱系數(shù) 由式（3-12）得： =+ Rso++ Rsi+

63、 =+0.00017197++0.0002+ =0.00278 K2=360 W/(m2?℃) （8）校核有效平均溫差 R2=＝＝7 P2=＝＝0.095 由式（3-13）得： φΔt＝ =0.97 由式（3-14）得： Δtm2＝φΔtΔtm2’ =0.9623.29 =22.59℃ （9）校核熱負荷 Q‘=K2SΔtm2 =360185.922.59 =1511813 W Q‘>Q2 所以能完成任務。 （10）流體的流動阻力 a.管程壓強降： ∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)Ft

64、NpNs 管程流通面積SI=0.015㎡，流速14.96m/s,雷諾準數(shù)473167（湍流）。設管粗糙度 , 查關系圖得 =0.033 =0.033 =42578 Pa 因為沒有彎管，即 則 Pa b.殼程壓強降： ， 管子為三角形排列，F(xiàn)=0.5，NB=10， Nc=1.1=1.1=25， So=0.08㎡,uo=0.32m/s，Re=3694， 所以 ∴ =5407 Pa =10(3.5) =973 Pa ∴ ∑ΔPo=（5407

65、+973）1.151=7337 Pa 殼程和管程的壓力降幾乎都能滿足要求。 2．換熱器附件 選用Dg800的標準作為設計參考 （1）管板 表3-3 管板 公稱直徑 D D1 D2 D3 D5=D6 D7 螺栓孔數(shù) 800 930 890 790 793 800 850 32 10 23 32 （2）殼程接管法蘭 表3-4 接管法蘭 墊片 螺栓 外徑 內徑 厚度 D D1 D2 重量㎏ 數(shù)量 直徑長度 石墨 250 27

66、3 370 335 312 14 4.65 12 M1655 312 273 3.2 （3）管程接管法蘭 表3-5 接管法蘭 墊片 螺栓 外徑 內徑 厚度 D D1 D2 重量㎏ 數(shù)量 直徑長度 石墨 125 133 235 200 178 10 1.98 8 M1655 178 133 3.2 （4）管箱 H=700㎜ 表3-6 管箱 程 數(shù) 6 流 動 程 序 上 （前） 管 板 下 （后） 管 板 （5）封頭 表3-7 橢圓封頭